0 引言
磁场不仅在装定线圈和接收线圈中产生感应电动势,而且在引信骨架内也会产生反电动势,形成涡流,影响线圈形成的耦合磁场,并对装定线圈回路的谐振特性产生明显影响[1]。这种涡流会导致装定线圈和接收线圈之间的能量传输效率下降。电磁场的能量以发热的方式消耗,引起了集肤效应。
因此,如何提升感应装定材料性能,增加感应装定接收线圈信号电压及平整度,是研究中的一项重要难题。如国内李长生等[2]提出涡流损耗的解析表达式,在理论分析的基础上,探讨采用磁屏蔽及金属管开槽措施减少涡流损耗的可行性。曹娟等[3]解决了金属环境影响下线圈参数的理论求解问题,改变了以往只可定性分析或实验测试的现状,丰富了引信磁共振耦合无线装定理论体系。如国外美国专利USP5117732[4]提出在引信内部的接收线圈和铝制磁芯中插入一个钢板来避免产生涡流,提高了能量传输效率。另外美国专利USP6170377[5]中提出将装定器的发射线圈安装在嵌入炮管内的非磁性材料上,将引信内的接收线圈缠绕在由铁氧体材料和塑料构成的磁芯材料上,不但提高了耦合效率,还减小了磁芯材料的质量。
所以在系统建模过程中需要考虑涡流对骨架的影响,分析不同骨架材料在磁场中涡流的产生情况。针对上述问题,提出了使用有限元方法对骨架进行优化分析,不同的感应接收线圈骨架材料会直接影响接收线圈感应场中的强度。因此,通过调节接收线圈骨架材料,可以实现接收到的信号幅度满足感应信号处理的要求,从而提高引信感应装定的可靠性。
1 帽形线圈系统构成
在图1所示帽形线圈的感应装定中,处于装定区域的引信接收模块通过接收线圈获得装定能量,与装定器的发射线圈建立信息通道,获得装定器传送过来的装定信息。并写入非易失性存储器,之后引信离开装定区,信息接收模块失电恢复初始状态,完成装定。
图1 帽形线圈装定X与Y示意图
Fig.1 X and Y diagram of Hat Shaped Induction coil
装定线圈采用帽形结构,其中结构部分如图2所示。引信采用标准感应结构如图3所示,主要由风帽、接收线圈及骨架等组成。
图2 帽形装定装置结构骨架示意图
Fig.2 Structural framework of Hat Shaped setting device
图3 感应装定引信接收线圈标准结构
Fig.3 Structure diagram of fuze receiving coil
2 帽形线圈骨架数学模型
对帽形线圈骨架建立数学模型:引信的骨架为密度相等的金属导体。基于以上条件,根据文献[7],建立数学模型。涡流通过麦克斯韦方程组列出方程[8]:
H(r,t)=H(r)exp(iωt)exp(z)
(1)
(2)
其中:μ为相对磁导率,σ为电导率,ω为接收线圈内流过的交变电流的角频率,E为电场强度,H为磁场强度,J为涡流损耗。
式(1)与式(2)推出式(6)
令:
k2=iμσω
(3)
(4)
(5)
其中,δ为趋肤深度
(6)
当线圈流过交变电流时,角频率变高,文献[9]可以得到良导体电导率非常大,因此式中/kr/的数值非常大,可把k看成无穷大。
根据文献[10],引用零阶贝塞尔方程,简称为H函数。
式中:(a-r)表示引信金属骨架的厚度;E表示电场强度;H表示磁场强度。
(7)
(8)
(9)
从式(9)可以得出涡流损耗在接收骨架上的分布情况,涡流幅值距离线圈所在平面越远幅值越小。涡流损耗在接收骨架上的分布情况,主要集中在金属靠近线圈侧表面附近的区域。电场强度,磁场强度,和涡电流密度的值随引信骨架金属壁厚的变化和比例因子exp([a-r]/δ)呈正比例。电磁场强度,电场强度,根据文献[11]涡电流密度衰减到剩下37%时的透入深度Δr就是趋肤深度厚度,根据文献[12]涡流在金属接收线圈骨架上产生趋肤效应分布在距离表面涡流透入Δr深度内,由式(9)得到:
得到对涡流在骨架厚度上积分可以得到感应磁场在金属上的热功率。运用积分理论得到式(10):
(10)
由代入式(10)可得到式(11):
(11)
令:
(12)
通过流过装定线圈的交变电流可以得到引信骨架体内表面感应到的初始磁场强度、电场强度、涡电流密度和涡电流分布,由式(11)与式(12)推出式(13):
(13)
在以上条件不变的情况下、热功率及涡流与对磁导率为μ、电导率为σ的乘积成正比。
根据表1和式(9)推导可得:涡流的生成是将线圈骨架材料假设为接收线圈的一部分,从而产生感应电压。相较于铝合金骨架,铬锰硅钢骨架具有更大的电阻,因此会产生较小的涡流电流并消耗较小的功率。材料的磁导率和涡流的趋肤深度成反比关系,因此磁导率较高的材料其趋肤深度较小。
表1 不同材料对比
Table 1 Comparison of algorithm recognition effects
材料相对磁导率相对电导率空气1铝合金10.62钢1000.1铬锰硅>2 0000.16
为了提升系统效率,必须减小涡流以及接收线圈之间距离对系统能量的影响。根据文献[13]所述:一方面高磁导率的铁氧体材料能够将外部大部分磁路束缚在较薄的层中;另一方面铝合金的电导率较高,其表面会产生环形涡流,使得金属铝合金表面的磁场强度非常微弱,具有一定的磁场屏蔽效果。而高磁导率材料则具有特别大的磁导率和特别小的电导率,在周围存在交变磁场时,磁力线会被束缚在高磁导率材料中,这有助于降低金属材料对无线传输的影响。
3 优化方法设计
利用稳态三维场模拟真实磁场情况,采用立体坐标系,将装定线圈外的区域视为远场区域,并建立对应的模型。发射线圈通过电流源激发,引信骨架材料分别为铝合金和铬锰硅,空气间隔为5 mm,其他区域采用空气进行模拟。
3.1 建立初始模型基础
帽形感应装定系统结构的如图4所示,由于线圈、铁芯、引信体等均为对称,产生的电磁场在线圈的任一对称竖直截面上是相同的,而且截面上的电磁场是对称的,因此对截面的四分之一区域进行计算即可。根据所计算的装定线圈对象结构具有对称性的特点如图4(a)所示,构造1/4计算模型如图4(b)所示。
图4 帽形结构感应装定计算模型及1/4模型构造
Fig 4 Calculation model and 1/4 model construction of hat shaped structure induction setting
其中:接收线圈位于弹体头部,用来固定接收线圈的是线圈骨架;装定线圈是用来产生变化磁场的,共40匝,输入周期为0.18 ms的锯齿波,其上升沿时间0.12 ms,脉冲宽度2×10-3 ms,下降沿时间2×10-3 ms, 0～0.4 ms内的电流波形如图5所示;接收线圈用来产生感应电动势,共265匝,电阻31.2 Ω,接200 Ω电阻负载形成回路。
图5 装定线圈0～0.4 ms内电流波形
Fig.5 Current waveform in 0～0.4 ms
3.2 骨架为铝合金材料模型的建立
线圈座骨架材料采用铝合金,其不具有导磁性,仅有导电性,按电阻率5.22×10-8 Ω·m进行计算,装定线圈和接收线圈的尺寸及其他参数不变。计算时间步长为2×10-6 s,总时间长5×10-4 s,计算结果见图6—图10。
图6 0.002 ms时感应强度
Fig.6 Strength at 0.002 ms
图6和图7是装定线圈开始有电流时刻的0.002 ms和电流最大时刻0.12 ms时的磁感应强度云图,其中的线圈骨架和接收线圈表面磁感应强度最大不超过0.01 T;图8和图9是与图6和图7对应时刻的电流密度云图,在图9中线圈骨架表面的电流密度最高达3×106 A/m2。
图7 0.012 ms时感应强度
Fig.7 Strength at 0.012 ms
图8 0.002 ms电流密度云图
Fig.8 Current density cloud 0.002 ms
图9 0.012 ms电流密度云图
Fig.9 Current density cloud 0.012 ms
图10为计算得出的负载电压,由于计算的是1/4模型,因此实际负载电压为图10的4倍,约为2.1 V。
图10 铝合金负载电阻上1/4电压曲线
Fig.10 1/4 voltage curve on load resistance of duralumin
3.3 骨架为铬锰硅钢材料模型的建立
在其他部分不变的情况下,线圈骨架用铬锰硅钢(简称30CrMnSi),该材料兼具导磁性与导电性,其磁化曲线见图11,电阻率按5×10-7 Ω·m。
图11 30CrMnSi直流磁化曲线
Fig.11 30CrMnSi DC magnetization curve
图12和图13是装定线圈开始有电流时刻的0.002 ms和电流最大时刻0.12 ms时的磁感应强度云图,其中的线圈骨架和接收线圈表面磁钢应强度达约0.2 T;图14和图15中的涡流大小与铝合金材料相比要小一些。
图12 0.002 ms感应强度
Fig.12 Induction strength 0.002 ms
图13 0.012 ms感应强度
Fig.13 Induction strength 0.012 ms
图14 0.002 ms电流密度云图
Fig.14 Current density cloud 0.002 ms
图15 0.012 ms电流密度云图
Fig.15 Current density cloud 0.012 ms
图16为计算得出的负载电压,由于计算的是1/4模型,因此实际负载电压为图13的4倍,约为8.1 V。
图16 铬锰硅钢材料负载电阻上1/4电压曲线
Fig.16 1/4 voltage curve on load resistance of 30CrMnSi
4 基于不同线圈骨架的试验验证
为了验证两种不同骨架材料涡流对装定的影响,针对不同的骨架引信采用帽形感应进行了2组试验,主要比较了同组试验中装定线圈谐振电容与接收线圈两端感应电压的差异。试验中的接收线圈分别缠绕在相同形状的铝合金(AL)和铬锰硅钢(30CrMnSI)的骨架上。由于骨架材料型号不同,装定线圈匝数比均存在差异。根据补偿电容计算公式,调整装定回路谐振电容以使其达到各自的最佳状态,在装定器微结构帽形,接收线圈为265匝,电阻31.2 Ω,接200 Ω电阻负载形成回路保持相同的情况下进行试验,用示波器进行电压检测。
感应装定线圈为帽形,该线圈采用直径为0.5 mm的聚酯亚胺漆包圆铜线绕,尺寸为120 mm×80 mm×60 mm,内部尺寸为80 mm(宽)×70 mm(高)。
4.1 不同骨架涡流对比验证
在其他条件不变的前提下对骨架分别为铝合金(磁导率μ=1)和铬锰硅钢(磁导率μ=2 000～5 000)进行分析,分别对比图6和图12、图7 和图13、图8 和图14、图9 和图15,对比方法是引信骨架颜色特征对应接收磁强度、电流云的大小,通过分析骨架线圈感应强度得到:引信骨架材料用铝合金时的涡流要明显高于用铬锰硅钢的材料,涡流大带来的信号偏置和畸变形状大,造成难以识别装定数据。
引信材料用磁导率较大的铬锰硅钢制造更有利于接收线圈在感应磁场中的工作。
图17为计算出的2种不同材料铝合金(Al)和铬锰硅钢(30CrMnSI)材料的1/4的线圈骨架中涡流功率随时间变化值,显而易见在铝合金中的涡流功耗大得多。最大值对比。
图17 线圈骨架涡流热损耗功率曲线
Fig.17 Heat loss power curve of coil skeleton
电磁强度计算复杂,理论值0.214与仿真理论值1/4几乎一致。
4.2 不同骨架接收线圈电压试验验证
图18为计算出的铝合金和铬锰硅钢材料线圈骨架中电压随时间变化曲线。不同材料的线圈骨架,铬锰硅钢如图18的曲线1比铝合金图18的曲线2的电压大得多,并且稳定系数大。
图18 帽形线圈不同材料的感应电压
Fig.18 The induced voltage of different materials of the Hat Shaped coil
根据上述理论分析,针对图4所示进行了装定研究,通过试验比较了引信骨架中涡流时接收线圈感应电压幅值的不同。研究了涡流的存在对引信的装定能量和信号传输特性的影响,以阐明在建模传输通道时考虑引信骨架中涡流影响的必要性以及本模型的准确性。
5 结论
1) 针对帽形的装定线圈,涡流对引信骨架中装定性能的影响,建立了在涡流影响下的引信感应装定能量和信息传输通道的电路模型。该模型由装定模型和接收线圈回路耦合构成。通过对等效电路模型进行分析,推导出系统的最佳工作条件和涡流损耗计算公式。
2) 为了验证模型的正确性,针对两种不同材料的引信骨架展开了试验,比较了接收线圈回路的涡流以及装定线圈两端的电压输出差异,线圈骨架中涡流功率产生的磁场与接收线圈产生的磁场方向正好相反,涡流损耗越小,装定传输的功率越大,试验结果与理论分析相符。
3) 铬锰硅钢材料线圈骨架的涡流损耗功率是铝合金材料的1/4。与铝合金相比,铬锰硅钢材料具有更高的充电电压、更小的信号偏置和畸变,以及更大的装定范围。这说明考虑模型中涡流对骨架的影响是必要的,并验证了该电路模型的准确性。
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